拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度測試、金相檢驗等是熱軋板材出廠交付前的必要檢測項目，是評價熱軋板材質量的重要依據。傳統試樣的加工工藝采取的是人工核對樣板、編寫樣號、剪切和銑削等加工方式，這種方式不僅效率低而且存在試樣編號、方向、尺寸等易出錯的問題。北京首鋼股份有限公司的楊志權、張廣治、趙乃勝等研究人員通過對檢驗項目進行分解，制定了相對應的試樣標示、項目類型、尺寸及位置代碼規則定義，結合自動化技術，實現了對板材試樣的自動加工、自動試驗，提高了試樣加工和檢測的效率及精度，避免了人為錯誤，滿足了試樣檢驗的準確性、及時性及溯源性要求。

     熱軋板材全自動智能檢測線的主要設備包括激光切割機、多功能加工中心、全自動拉伸試驗機、關節機器人等，配套了先進的視覺識別、定位碼放、智能料倉、尺寸測量等裝置，并與產銷一體化、LIMS(實驗室數據管理專用系統)無縫銜接。特有的集成管控系統可實現試樣分揀、激光切割、精加工以及拉伸檢測全流程自動化，提升熱軋板卷的試樣加工能力、檢測效率和質量管控水平。全自動加工檢測流程圖如圖1所示。

1自動化技術在熱軋成品檢驗中應用的必要性

1.1 提高試樣制備的安全可控程度

     熱軋成品的力學性能檢測試樣制備需要機械加工設備，然而機械加工設備經常發生安全事故。這些事故發生的原因是多方面的，如：操作人員的安全意識薄弱、設備不安全、管理不到位和環境的影響等。自動生產線配套的防護圍欄及安全門、安全光柵，控制自動生產線內各設備的運動等可以降低事故發生的概率。

1.2 提高試樣的加工和檢測效率

      拉伸試樣的加工與檢測需要經過以下4個步驟：① 使用剪板機(厚度小于10mm的材料)或鋸床(厚度不小于10 mm 的材料)分切出毛坯樣；②使用立式銑床加工兩個側面；③雙開肩加工平行長度部分；④使用自動拉伸試驗機和手動拉伸試驗機進行拉伸試驗。

     彎曲試樣的加工與檢測需要經過以下3個步驟：①使用剪板機(厚度小于10mm材料)或鋸床(厚度不小于10mm材料)分切出毛坯樣；②使用立式銑床加工兩個側面；③使用手動彎曲試驗機進行彎曲試驗。

     沖擊試樣加工與檢測需要經過以下9個步驟：①使用剪板機(厚度小于10mm材料)或鋸床(厚度不小于10mm材料)分切出毛坯樣；②使用立式銑床加工兩個側面；③轉移樣號，樣號字頭朝向軋制面(關系到開槽，開V型槽要沿厚度方向)，使用立式銑床去除厚度；④使用鋸床分切出3個小樣；⑤使用立式銑床加工每個小樣的兩個側面；⑥使用平面磨床磨四面，保證表面粗糙度小于5μm；⑦使用拉床加工V型槽；⑧抽查V型槽的深度及角度；⑨使用自動沖擊試驗機或手動沖擊試驗機進行沖擊試驗。

     硬度試樣加工和檢測需要經過以下4個步驟；①使用剪板機(厚度小于10mm 材料)或鋸床(厚度不小于10 mm 材料)分切出毛坯樣；②使用立式銑床加工兩個側面；③在金相制樣室進行磨拋；④使用手動布氏硬度計、手動洛氏硬度計、手動維氏硬度計或自動維氏硬度計進行硬度測試。

     這些工藝存在的問題主要表現在：①所有試樣均為人工加工,工作時間長，勞動效率低；②加工流程復雜，核對試樣、剪切、鋸切、銑、開口等各環節對樣號的控制困難，需多次核對試樣，不便于試樣的過程質量控制；③由于均為人工加工，且加工設備比較陳舊，因此存在試樣的加工精度偏差和波動大的問題，影響檢測精度；④對于高強鋼，如鋸片鋼，因其合金含量較高，且硬度大，現在的加工設備存在能力不足的問題；⑤試樣標記全部為手動打號。

     自動生產線的優點在于：①可以滿足熱軋板卷的加工和檢測需求，單批試樣檢測周期實現了從小時級到分鐘級的跨越，平均檢測時間縮短近40%，為加快庫存周轉提供了有力的支撐；②自動化系統集樣料的識別、分揀、切割、加工、檢測等環節于一體，全流程“一鍵式”操作，控制閉環、無人干預，且試樣加工精度由±0.1mm提高到±0.02mm，更好地滿足了高端客戶對質量的要求；③現場安全生產條件及作業環境得到改善，全流程設備設施均配套安全連鎖防護裝置，有效提升了安全管理水平；④ 形成了一批可示范、可復制、可推廣的熱軋板卷試樣的加工、檢測等先進制造技術,成為自動化、信息化、智能化技術集成應用的行業示范項目。

2自動化技術在熱軋成品檢驗中的應用方向

     提高熱軋成品物理性能檢驗機械設備的工作效率，實現機械與電氣自動化的結合是當前理化檢驗行業內的共識。自動化技術就相當于理化檢驗行業的一場機械改革，只有牢牢抓住這個改革機遇，企業才能有更好的發展、更光明的未來。在面對一場改革時，企業一般猶豫不決，但是未來理化檢驗行業的發展方向就是建設一套完整的自動化機械設備，實現加工、檢測一體化，將精密的電子信息控制技術應用在理化檢驗行業中，切實提高企業的工作效率和安全控制。接下來具體分析自動化技術在鋼鐵企業物理性能檢驗實驗室中的應用實例。

2.1 集中管控系統技術

     管控系統與自動分揀上料單元、激光切割下料單元、復合精加工單元、全自動拉伸試驗單元進行信息交互、指令收發，實現試料、坯料及試樣的檢驗任務分配及全流程狀態跟蹤。管控系統具有質量檢驗相關規則的維護、匹配功能；具有設備狀態監控、數據存儲和分析，以及安全、可靠的連鎖控制功能。

    集中管控系統包括:任務分配跟蹤系統、工藝規則配置系統、一級PLC(可編程邏輯控制器)控制系統、設備管控系統、數據處理系統、視頻監控系統、環境監控系統、安全防護系統等。根據LIMS委托和來樣信息，集中管控系統按照預設規則自動編排加工、檢測工藝流程，進行動態模擬、直觀顯示；集中管控系統具有人工干預、調整功能，支持人工新增加急、科研等任務，支持對所有待執行任務進行查詢、調整、刪除操作，可以實現任務明細定制化流程，對系統自動生成或人工創建的加工、檢測任務統一進行管理，并實現單條任務執行的全流程跟蹤，實時顯示任務明細和待處理狀態。實現對關鍵裝備工作狀態及試樣傳遞位置的動態跟蹤，下發上料、下料、碼放、收集等指令，實現試樣(含廢料、殘樣)的全流程跟蹤、管理，確保加工、檢測全流程信息的可追溯性。

     系統設有報警機制，執行任務時間超過限定時長或某個環節無法正常按照計劃要求工作時，執行報警工作,人工確認后可以切換工作模式，調整工藝路線。集中管控系統可對任務執行進行統計和分析，不斷優化工藝模型，確保生產效率的最大化；其可對激光切割機、精加工中心、拉伸試驗機、自動分揀上料機器人、激光切割下料機器人、精加工上下料機器人、拉伸試驗上料機器人以及相應的視覺識別、等待位、轉出位、廢料輸出裝置等設備設施的工藝邏輯、控制規則進行配置和調整。

     系統可顯示各個設備設施狀態(包含工作狀態和非工作狀態)，結合實際加工和檢測信息，對設備運行效率進行量化統計、分析。對各個單元和設備設施的電氣、潤滑、液壓等運行狀態進行監控，部分設備出現故障后可實現自檢功能、故障報警、故障類型和故障點信息提示，便于故障點的查找和維修。出現設備故障時，系統自動將故障設備停運；如果下道工序設備出現故障，上道工序設備正常運行，則試樣從人工位輸出并有相應提示，任何單體設備故障不得影響其他子系統的正常運行。所有設備設施具有單體控制、調試功能，方便日常維修以及校準、檢定。數據處理系統具有安全、可靠的大數據存儲、統計、分析功能，可對試樣分析數據進行分析、梳理、歸檔存儲，便于試樣制樣溯源。數據處理系統還可優化檢測結果報出流程，根據預設規則進行數值比對、報警，自動審核、上傳。

2.2 自動激光切割技術

     全自動激光切割系統配備功率為6000W的激光器，可伸縮式試樣臺，試樣識別分揀、小樣放置平臺，設備除塵、水冷系統等。通過接收總控系統下達的切割指令和切割圖形，該系統可完成試樣形狀、尺寸、位置等信息的匹配，快速完成不同試樣的切割任務。視覺系統識別切割試樣的位置，分揀機械手逐個抓取至指定位置。帶可視系統的分揀機器人將拉伸和彎曲試樣按種類分揀到加工中心區域的放樣平臺上，根據切割指令，自動將其他檢驗項目的試樣分配到交替式料盒中，將試樣按用途分類，人工取走試樣進行下一步檢驗。整臺設備滿足GB/T 2975—2018 《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》、GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的相關要求。

     整個子系統按照標準GB/T 7247.14—2012《激光產品的安全 第14部分：用戶指南》執行任務，防護等級按照4類激光防護；依靠可變化承托式夾具承托不同規格的樣板，設備可根據來料信息厚度、切割信息等指令，適應毛坯試樣的來料尺寸，以保證試樣切割尺寸的準確度。高速響應的激光功率坡調可保證拐角及尖角的切割質量；插補補償功能保證直線、圓弧插補和割縫補償，保證切割工件的成品率；特有的數據庫系統可按照管控系統指令切割的材料及其厚度，控制器自動從數據庫中調出切割參數，提高了加工的靈活性；系統有具體的報警信息并附帶故障處理方法。

2.3 復合精加工中心技術

     全自動復合精加工中心是建設一條薄規格試樣物理性能的全自動加工、檢測系統。該子系統由一臺全自動機床與機械手組成，通過單元自動化系統與總控自動化系統高度結合，實現了試樣從下料到成品加工的全過程控制和加工。全自動拉伸試樣加工系統集成了1臺多功能板材試樣加工中心、1臺機械手、多個緩存平臺與測量設備，可實現對拉伸試樣、彎曲試樣、金相試樣、硬度試樣的精加工及切邊加工，消除熱影響區。機械手將試樣放入拉伸加工中心指定工位，自動夾持緊固，試樣的加工信息通過上位控制系統傳入拉伸加工中心，拉伸加工中心根據上位控制系統傳入的指令和信息對材料進行確認，確認完成后，加工中心自動根據指令調用相關程序完成材料的加工，加工完成后，試樣由機械手取樣輸送至下料中轉托盤，準備進行試驗。

     整套設備對試樣加工均滿足GB/T 2975—2018、GB/T 228.1—2010、GB/T 229—2007 《金屬材料夏比沖擊試驗方法》、GB/T 5313—2010 《厚度方向性能鋼板》、ASTM A370—2017 《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》、ASTM E8—2016 《金屬材料拉伸試驗方法》、ASTM E23—2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》等的相關要求。

2.4 自動拉伸試驗技術

      通過管控系統信息指令，全自動拉伸試驗機系統將需要進行試驗的數據發送至計算機，機器人把加工好的試樣放置到拉伸試驗機暫存臺，自動拉伸試驗系統對試樣信息進行掃碼復核，自動識別試樣字串碼，自動匹配檢測管控系統中相對應的試樣信息。自動抓取試樣，并通過3點測量試樣的截面尺寸，上樣對中裝置自動將試樣送到拉伸試驗機上，自動按設定程序進行拉伸試驗，自動完成試驗數據的分析，自動上傳試驗結果到管控系統，管控系統自動對比數據是否合格，將不合格的殘樣放置在不合格殘樣收集盒內，管控系統報警提示，人工處理。

3熱軋成品檢驗中自動化技術的發展前景

     自動化技術與熱軋成品力學性能試樣加工、檢測設備的融合應用已經是大勢所趨。在未來，智能自動化技術將會進一步融合到力學性能檢驗設備的生產研究中。隨著人工的減少，鋼鐵企業需要探索設備維修和故障診斷，重視培養維修人員的專業技能，提高自動化機械設備的維護程度，因為損失一臺自動化機械設備就會影響試樣的檢測進度和工作效率。同時，還應該加強對自動化傳感器的研究，提高系統的監控能力。